一種基于大動(dòng)態(tài)微波功率測量的雷達(dá)天線方向圖測試方法

樊中華 高 彬 孟祥成 路 暉

(中國人民解放軍72465部隊(duì) 濟(jì)南 250022)

0 引言

雷達(dá)天線性能、質(zhì)量的優(yōu)劣和好壞通常用雷達(dá)天線方向圖來描述。雷達(dá)天線方向圖用來表示雷達(dá)天線在不同方向上的空間輻射特性。也可以這樣說，雷達(dá)天線的方向性是指天線朝空間指定方向集中輻射電磁波的能力，方向圖則是雷達(dá)天線方向性的直觀表示法，可以在離開天線一定距離處，測試不同方向上的輻射場強(qiáng)或功率密度來繪制，通常采用最大輻射方向上兩個(gè)互相垂直的平面方向圖，即垂直平面方向圖和水平面方向圖來表示，如圖1所示。依據(jù)雷達(dá)天線互易性原理，天線發(fā)射方向圖與接收方向圖一致，一般情況下測試?yán)走_(dá)天線的接收方向圖。本文介紹一種雷達(dá)天線方向圖測試方法，與傳統(tǒng)測試方法相比，解決了傳統(tǒng)的雷達(dá)天線方向圖測試方法設(shè)備多、步驟繁、測量誤差大、動(dòng)態(tài)范圍小等不足，適用于具有良好電子對(duì)抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達(dá)天線的方向圖測試。

1 傳統(tǒng)雷達(dá)天線方向圖測試方法

傳統(tǒng)的雷達(dá)天線方向圖測試方法有以下幾種［1］:

圖1 雷達(dá)天線方向圖

第一種是直接讀數(shù)法。由工作于雷達(dá)微波頻段的小功率微波信號(hào)源向被測雷達(dá)天線輻射小功率微波信號(hào)，雷達(dá)接收極其微弱的微波信號(hào)后，經(jīng)過微波二極管的檢波、低頻或直流電壓信號(hào)放大、模擬電表指示，在轉(zhuǎn)動(dòng)被測天線時(shí)，在不同方向接收信號(hào)，直接讀取測量放大器所指示的讀數(shù)。該讀數(shù)的大小表示天線在不同方向上接收到的信號(hào)大小，由此人工繪出雷達(dá)天線的場強(qiáng)方向圖。由于檢波晶體的非線性，這種直讀式測量法測試動(dòng)態(tài)范圍窄，只適用于主副瓣比在10dB～20dB的雷達(dá)天線方向圖的測試，對(duì)于具有良好電子對(duì)抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達(dá)天線的方向圖，如主副瓣比在30dB～50dB的雷達(dá)天線，則無法測試或誤差很大。

第二種是衰減量讀數(shù)法。雷達(dá)接收極其微弱的微波信號(hào)后，經(jīng)過微波功率衰減、微波二極管的檢波、低頻或直流電壓信號(hào)放大、模擬電表指示。轉(zhuǎn)動(dòng)被測天線，在不同方向接收信號(hào)，通過改變被測雷達(dá)天線輸出端精密衰減器的衰減量，使測量放大器所指示的信號(hào)值始終保持不變。最后讀出衰減器的衰減值，由人工繪出雷達(dá)天線的方向圖。通常微波測量中，衰減器的衰減量是以相對(duì)功率的分貝值刻度的，所以按天線的轉(zhuǎn)角和對(duì)應(yīng)的衰減量繪出的方向圖為相對(duì)功率密度方向圖。

在測試過程中，為了達(dá)到測試精度，在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，首先通過觀察雷達(dá)接收到的信號(hào)，調(diào)整信號(hào)源輻射天線和雷達(dá)接收天線方向，使其保持一致。在調(diào)整過程中，由于接收到的信號(hào)比較微弱，雷達(dá)天線經(jīng)常接收不到信號(hào)，使測試過程無法進(jìn)行下去。

傳統(tǒng)方法存在的主要問題:一是受到小功率信號(hào)傳輸、衰減、整形、變換、指示等諸多環(huán)節(jié)影響，動(dòng)態(tài)范圍小、精度相對(duì)較差。二是測試操作復(fù)雜、繁瑣，測試時(shí)間長，在野戰(zhàn)條件下檢查和測試?yán)走_(dá)天線方向圖十分困難。

當(dāng)前，生產(chǎn)廠家測試?yán)走_(dá)天線方向圖主要采用頻譜儀法［2］。由通用微波信號(hào)源通過饋源喇叭向雷達(dá)天線定向輻射，利用頻譜儀作為雷達(dá)天線后面的信號(hào)接收設(shè)備，在不同天線方向上錄取微波信號(hào)，繪出雷達(dá)天線方向圖。這種方法利用的是通用儀器，比較適合生產(chǎn)廠家在裝備生產(chǎn)時(shí)使用，但由于設(shè)備非常昂貴，也不便攜，不適合在野戰(zhàn)條件下使用。

另外，雷達(dá)天線方向圖測試還有多通道接收機(jī)測試方法，但往往設(shè)備復(fù)雜，不便于在部隊(duì)野外條件下使用。

2 基于大動(dòng)態(tài)微波功率測量的雷達(dá)天線方向圖測試方法

2.1 測試原理

基于大動(dòng)態(tài)微波功率測量的雷達(dá)天線方向圖測試，采用高穩(wěn)定度大功率微波信號(hào)源作為基準(zhǔn)信號(hào)，向被測雷達(dá)天線定向輻射，雷達(dá)接收到的信號(hào)強(qiáng)，最大值可達(dá)到數(shù)毫瓦至數(shù)十毫瓦。信號(hào)不用經(jīng)過放大、檢波等電路，減少信號(hào)的失真，提高了測試精度。因?yàn)槲⒉ㄐ」β视?jì)測試動(dòng)態(tài)范圍大，最低可測量出微瓦級(jí)的功率信號(hào)，所以能夠直接檢測到雷達(dá)天線各個(gè)方位接收到的信號(hào)，適用于新型雷達(dá)低副瓣或極低副瓣天線方向圖的測試。測量原理框圖如圖2所示。

圖2 測試原理框圖

大功率微波信號(hào)源通過輔助喇叭天線向被測雷達(dá)天線輻射大功率微波信號(hào)，大功率微波信號(hào)源輻射喇叭天線輻射最大方向?qū)?zhǔn)被測雷達(dá)天線，兩個(gè)天線的極化方向一致，大功率微波信號(hào)源的微波頻率與雷達(dá)工作頻率一致。

旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線，測量旋轉(zhuǎn)角度，作為雷達(dá)天線方向圖的橫坐標(biāo);采用微波小功率計(jì)測量雷達(dá)天線接收功率，作為雷達(dá)天線方向圖的縱坐標(biāo)。

根據(jù)雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)角度和雷達(dá)天線接收功率繪制雷達(dá)天線方向圖。

2.2 測試步驟［3］

步驟一:試驗(yàn)準(zhǔn)備，大功率微波信號(hào)源通過輔助喇叭天線向被測雷達(dá)天線輻射大功率微波信號(hào)。

a.架設(shè)被測雷達(dá)。被測雷達(dá)應(yīng)架設(shè)在地勢(shì)平坦，比較開闊的場地上，周邊不應(yīng)有大的障礙物和反射體。雷達(dá)處于接收工作狀態(tài)。

b.連接發(fā)射設(shè)備。發(fā)射設(shè)備包括大功率微波信號(hào)源、輻射喇叭天線，并通過微波低耗電纜將它們連接起來。大功率微波信號(hào)源通過輔助喇叭天線向被測雷達(dá)天線輻射微波信號(hào)，適當(dāng)加大信號(hào)源輸出功率，以保證被測雷達(dá)天線接收端有足夠功率強(qiáng)度的信號(hào)，從而雷達(dá)天線方向圖主瓣、副瓣電平能有足夠的顯示幅度。大功率微波信號(hào)源功率和頻率都應(yīng)該連續(xù)可調(diào)，以滿足不同種類雷達(dá)天線方向圖測試的需要。

調(diào)整大功率信號(hào)源的微波頻率，使其與雷達(dá)工作頻率一致。

為達(dá)到較高的測試精準(zhǔn)度，設(shè)備特別是大功率信號(hào)源要預(yù)熱30min左右，以保證輸出微波信號(hào)的功率和頻率非常穩(wěn)定。

c.確定測試距離。根據(jù)微波小功率計(jì)檢測到被測雷達(dá)接收天線所接收微波功率的大小，調(diào)整大功率微波信號(hào)源、輻射喇叭天線和被測雷達(dá)之間的距離，滿足雷達(dá)天線遠(yuǎn)場測試條件。如希望微波小功率計(jì)檢測到的信號(hào)更強(qiáng)，則可適當(dāng)減少輻射喇叭天線和被測雷達(dá)天線之間的距離或者提高微波信號(hào)源的功率;如希望微波小功率計(jì)檢測到的信號(hào)稍弱，則可增加輻射喇叭天線和被測雷達(dá)天線之間的距離或者調(diào)低大功率微波信號(hào)源的功率。

輻射喇叭天線應(yīng)距離地面5m以上，以最大限度地減小地面反射造成的影響。

d.連接接收設(shè)備。接收設(shè)備包括主控計(jì)算機(jī)、微波小功率計(jì)、微波小功率計(jì)探頭、高精度軸角轉(zhuǎn)換板卡等。微波小功率計(jì)探頭與微微波小功率計(jì)連接后，再接到雷達(dá)天線方位饋線或高低饋線輸出端。軸角轉(zhuǎn)換板卡插入主控計(jì)算機(jī)PCI總線插槽，旋轉(zhuǎn)變壓器的6路信號(hào)連接到軸角轉(zhuǎn)換板卡的輸入端。

e.雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)。大功率微波信號(hào)源輻射喇叭天線輻射最大方向必須對(duì)準(zhǔn)被測雷達(dá)天線，輻射喇叭天線的極化方向必須和被測雷達(dá)天線一致。首先通過雷達(dá)天線上的瞄準(zhǔn)鏡，目測調(diào)整雷達(dá)天線和輻射喇叭天線對(duì)準(zhǔn)，然后觀察微波小功率計(jì)信號(hào)指示，微調(diào)被測雷達(dá)天線，使信號(hào)指示最大。保證了輻射喇叭天線輻射最大方向?qū)?zhǔn)被測雷達(dá)天線。由于信號(hào)源功率比較大，保證了微波小功率計(jì)實(shí)時(shí)檢測到信號(hào)，操作簡單、方便，保證了調(diào)試準(zhǔn)備工作的順利進(jìn)行。

f.調(diào)整大功率微波信號(hào)源輸出功率。當(dāng)雷達(dá)天線和輻射喇叭天線對(duì)準(zhǔn)后，調(diào)整大功率微波信號(hào)源輸出功率，保證能夠檢測出雷達(dá)天線方向圖的第一個(gè)副瓣功率。

步驟二:測量被測雷達(dá)旋轉(zhuǎn)角度和接受微波信號(hào)功率，獲取方向圖橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

手動(dòng)勻速緩慢旋轉(zhuǎn)被測雷達(dá)天線，安裝在雷達(dá)天線上的旋轉(zhuǎn)變壓器與雷達(dá)天線同軸旋轉(zhuǎn)，高精度軸角轉(zhuǎn)換板卡采集旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)，即可獲得雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)角度，作為方向圖的橫坐標(biāo);同時(shí)利用微波小功率計(jì)測量雷達(dá)天線接收功率，作為雷達(dá)天線方向圖的縱坐標(biāo)。

軸角轉(zhuǎn)換卡為采用PCI板卡結(jié)構(gòu)的19位軸角轉(zhuǎn)換模塊，其主要特點(diǎn)如下［4］:

a.同時(shí)采集和處理、轉(zhuǎn)換雷達(dá)的方位角(或高低角)正余弦變壓器的精測和粗測角度數(shù)據(jù)，可測試0°～360°(即 0 ～6000mil)內(nèi)任意波瓣寬度的雷達(dá)方向圖。

b.轉(zhuǎn)換模塊采用PCI板卡結(jié)構(gòu)，和計(jì)算機(jī)接口適應(yīng)簡便，數(shù)據(jù)采集、處理、運(yùn)算速度快，通用性強(qiáng)，且便于測試系統(tǒng)擴(kuò)展。

c.運(yùn)用19位數(shù)據(jù)采集方式，采集精度高，分辨率從工程運(yùn)用方面說可達(dá)15s，換算成密位精度可達(dá)0.069mil，可滿足雷達(dá)窄波瓣寬度的測試要求。

小功率微波測量設(shè)備選用高靈敏度、高精度的微波小功率計(jì)。微波小功率計(jì)可達(dá)到信號(hào)功率采樣對(duì)于速度和動(dòng)態(tài)范圍的要求，可對(duì)雷達(dá)天線接收到的微瓦級(jí)至毫瓦級(jí)的微波功率進(jìn)行測量。

步驟三:根據(jù)雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)角度和雷達(dá)天線接收功率繪制雷達(dá)天線方向圖。

高精度軸角轉(zhuǎn)換板卡采集到的雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)角度以及微波小功率測量到的雷達(dá)接收功率傳送給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自主采集、處理、計(jì)算、顯示、繪制、存儲(chǔ)、打印和查詢。

本方法在某型火控雷達(dá)上進(jìn)行了實(shí)際測量，主要把握住幾個(gè)關(guān)鍵步驟。一是測試的基礎(chǔ)條件，場地滿足上述條件，測試天線與被測天線對(duì)準(zhǔn)，信號(hào)源頻率與雷達(dá)頻率一致。二是功率測試附件正確連接。拆下通向天線座旋轉(zhuǎn)軸方向的饋電線連接波導(dǎo)，通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接微波功率計(jì)探頭，另一端接自動(dòng)測試設(shè)備功率輸入插座。三是角度錄取附件的正確連接。專用適配電纜一端接入CZ17-2電纜插座，另一端為12芯電纜插頭，接入測試設(shè)備“激磁信號(hào)產(chǎn)生-角度數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換單元”面板上的12芯電纜插座。四是正確設(shè)置測試設(shè)備，包括微波信號(hào)源和錄取顯示終端設(shè)備。五是緩慢穩(wěn)定操控手輪旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線，按要求操作主控計(jì)算機(jī)，自動(dòng)繪出雷達(dá)天線方向圖。

3 結(jié)束語

本方法提高了雷達(dá)天線方向圖測試的動(dòng)態(tài)范圍和測試精度，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了測試的自動(dòng)化，測量精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，適用于具有良好電子對(duì)抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達(dá)天線的方向圖測試，完全滿足工程測試的需要。

［1］馬彥恒等.雷達(dá)性能測試技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社.2007，10.

［2］鄧彬.雷達(dá)性能參數(shù)測量技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社.2010，3.

［3］樊中華等.雷達(dá)天線方向圖檢測方法［P］.中華人民共和國國防專利，ZL201010047695.0，2012.6.

［4］樊中華.新型雷達(dá)天線性能測試儀關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.石家莊:軍械工程學(xué)院，2004.